JPS6393282A

JPS6393282A - 光電変換装置

Info

Publication number: JPS6393282A
Application number: JP61238017A
Authority: JP
Inventors: Seiji Hashimoto; 誠二橋本; Tadanori Harada; 忠則原田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-10-08
Filing date: 1986-10-08
Publication date: 1988-04-23
Anticipated expiration: 2011-07-03
Also published as: JP2512723B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は光電変換素子の読出し信号を蓄積手段に一時蓄
積した後、アンプを通して出力する光電変換装置に関す
る。

［従来技術］ＬＳＩ技術の進展に伴う撮像装置の小型化を達成するた
めに、次に述べるような出力アンプの電源の単一化が提
案されている。

第７図（Ａ）は、従来の光電変換装置の概略的構成図、
第７図（Ｂ）は、その信号転送動作を説明するための等
価回路図、第７図（Ｇ）は、その転送の前後における信
号波形図である。

第７図（Ａ）において、配列された光センサＳ１〜Ｓｎ
の読出し信号は−Ｈコンデンサ０１〜Ｃｎに各々蓄積さ
れる。その後、水平走査部７０１からのパルスφｈ１〜
φｈｎによってトランジスタＱＳ１〜Ｑｓｎが順次ＯＮ
となり、コンデンサに蓄積された各読出し信号が出力ラ
イン７０２に順次読出され、出力バッファアンプ７０３
を通して外部へ出力される。その際、読出し信号が出力
アンプ７０３から出力されるごとに、出力ライン７０２
はトランジスタＱ　ｒ　ｈを通してリセット電圧（ここ
では＋４Ｖ）にリセットされる。

このように出力アンプ７０３の入力端子に接続された出
力ライン７０２の電位を接地電位以外の低電位に設定す
ることで、出力アンプ７０３のｖｓＳ端子を接地し、Ｖ
ｄｄ端子に正電圧（ここでは＋５Ｖ）を印加するだけの
電源の単一化を達成することができる。

［発明が解決しようとする問題点］しかしながら、このような従来の光電変換装置では、出
力ライン７０２の電位が、読出し信号の信号成分電位と
リセット電位との間で大きく変化する０通常センサ信号
は後段の信号処理回路（後述）で適当な信号レベルまで
増幅されるが、上述の様な不要成分は、信号成分よりか
なり大きいために、回路系により飽和してしまい、結局
は重要な信号成分も損なわれてしまうという問題点を有
していた。逆に、ダイナミックレンジの大きい出力アン
プを設けることは、駆動電源の低レベル化に不利となり
、撮像装置の小型化の支障ともなる。

詳述するために、同図ＣＢ）に示す等価回路を考える。

まず、光センサからの読出し信号は一定のタイミングで
容量Ｃｔに蓄積される。出力ライン７０２は容量ｃｈを
有し、ｃ　ｈ＝ｃ　ｔとする。また、容量Ｃｔの電位を
Ｍｌ、出力ライン７０２の電位をｖ２とし、電位ｖ１は
Ｏｖに、電位ｖ２はスイッチＱｒｈが閉じることによっ
て＋４Ｖにリセットされるものとする。

容量Ｃｔに読出し信号が蓄積され、出力ライン７０２が
リセットされた状態でスイッチＱｓを閉じると、ｃｈ＝
ｃｔであるために、電圧ｖ２はリセット電圧＋４ｖから
電圧（２＋％ｖｌ　）Ｖまで低下する。続いて、スイッ
チＱｒｈが閉じることで、出力ライン７０２はリヤー２
トされ＋４■に復帰する。

このように出力アンプ７０３の入力ｖ２は、同図（Ｃ）
に示すように＋４ｖ〜＋２ｖの間で大きく変動する。

さらに充放電時間は次のように考えられる。出力信号Ｖ
ｏｕｔのクセ−２ト電位部分はソースホロワ回路のソー
ス電流によって負荷容量（ポンディン容量、配線容量、
入力トランジスタ容量等）を十分駆動できるが、出力信
号の信号成分部分はソースホロワ回路のシンク電流とな
るために、出力抵抗が十分小さくないと放電時定数が大
きくなり、小信号の直線性が悪くなるという問題点があ
った。出力抵抗を小さくすると消費電流をロスすること
になる。

さらに、上記不要成分を除去するためには、サンプルホ
ールド（Ｓ／Ｈ）回路が必要となる。

Ｓ／Ｈ回路のタイミングパルスは信号成分との位相関係
が重要で、温度特性および電源電圧特性の点で設けない
方が望ましい、しかし、Ｓ／Ｈ回路がないと、出力信号
を低域フィルタにより帯域制限する時に、低域フィルタ
の遮断特性を急峻にする必要がある。これは画像信号の
過渡特性を悪化させ１画質を低下させる原因となる。

［問題点を解決するための手段］本発明による光電変換装置は、光電変換素子の読出し信号を蓄積手段に一時蓄清した後
、アンプを通して出力する光電変換装置において、前記蓄積手段にバイアス電圧を適時印加するスイッチ手
段を設けたことを特徴とする。

［作用］このようなスイッチ手段によって上記蓄積容量の基準電
位を適時変化させることができ、読出し信号の信号成分
を損なうことなく、電源を単一化できる。

［実施例］まず、本発明の基本的な動作を説明する。

第１図（Ａ）は、本発明の基本動作の一例を説明するた
めの回路図、第１図（Ｂ）は、その電圧波形図である。

同図（Ａ）において、蓄積コンデンサＣｔには接地電圧
（接点Ａ）又はバイアス電圧＋２Ｖ（接点Ｂ）を選択す
るスイッチが４８８されており、出力ライン１０３には
リセット電圧＋２Ｖを印加するためのスイッチＱｒｈが
接続されている。また、コンデンサＣｔの電圧をＶｌ、
出力ライン１０３の電圧をｖ２とする。

まず、コンデンサＣｔを接点Ａに接続して接地し、セン
サからの読出し信号をコンデンサＣｔに蓄積する。続い
て、コンデンサＣｔを接点Ｂに接続して＋２ｖのバイア
ス電圧を印加するにれによって読出し信号レベルがゼロ
の時のコンデンサＣｔの電圧が出力ラインのリセット電
圧と等しくなる。

続いて、スイッチＱｓを閉じると、ｃｔ＝ｃｈであるか
ら、電圧ｖ１の信号成分のｌ／２が出力ライン１０３に
現われ、電圧ｖ２として出力アンプ１０２に入力する。

そして、スイッチＱｒｈが閉じることで出力ライン１０
３は＋２■にリセットされる（同図（Ｂ）参照）。

このように本発明によれば、信号成分のみが出力アンプ
１０２に入力し、入力電圧がリセットするごとに大きく
変化することがないために、出力アンプ１０２のダイナ
ミー、クレンジを大きくすることができ、Ｖｒｈ又はＶ
ｃｔの設定電位（振幅）に余裕をもたせることが可能と
なる。

次に、本発明の実施例に使用される光電変換素子の構成
および基本的動作について説明する。

第２図（Ａ）は、特開昭８０−１２７５９号公報〜特開
昭８０−１２７８５号公報に記載されている光電変換セ
ルの概略的断面図、第２図（Ｂ）は、その等価回路図で
ある。

両図において、ｎ＋シリコン基板１上に光電変換セルが
形成され配列されており、各光電変換セルは５ｉ０２　
、　Ｓｉ３　Ｎ４　、又はポリシリコン等より成る素子
分離領域２によって隣接する光電変換セルから電気的に
絶縁されている。

各光電変換セルは次のような構成を有する。

エピタキシャル技術等で形成される不純物濃度の低いｎ
−領域３上にはｐタイプの不純物をドーピングすること
でｐ領域４が形成され、ｐ領域４には不純物拡散技術又
はイオン注入技術等によってｎ十領域５が形成されてい
る。ｐＤＡ域４およびｎ十領域５は、各々バイポーラト
ランジスタのベースおよびエミッタである。

このように各領域が形成されたｎ−領域３上には酸化膜
６が形成され、酸化膜６上に所定の面積を有するキャパ
シタ電極７が形成されている。

キャパシタ電極７は酸化膜６を挟んでｐ領域４と対向し
、キャパシタ電極７にパルス電圧を印加することで浮遊
状態にされたｐ領域４の電位を制御する。

その他に、ｎ十領域５に接続されたエミッタ電極８．基
板ｌの裏面に不純物濃度の高いｎ十領域１１、およびバ
イポーラトランジスタのコレクタに電位を与えるための
コレクタ電極１２がそれぞれ形成されている。

次に、基本的な動作を説明する。まず、バイポーラトラ
ンジスタのベースであるｐ領域４は負電位の初期状態に
あるとする。このｐ領域４側から光１３が入射し、入射
光によって発生した電子・正孔対のうちの正孔がｐ領域
４に蓄積され、蓄積された正孔によってｐ領域４の電位
が正方向に上昇する（蓄ｖｉ動作）。

続いて、キャパシタ電極７に読出し用の正電圧パルスが
印加され、蓄積動作時のベース電位変化分に対応した読
出し信号が浮遊状態にしたエミッタ電極８から出力され
る（読出し動作）、ただし、ベースであるｐ領域４の蓄
積電荷量はほとんど減少しないために、読出し動作の繰
返しが可ス彪である。

また、ｐ領域４に蓄積された正孔を除去するには、エミ
ッタ電極８を接地し、キャパシタ電極８に正電圧のリフ
レッシュパルスを印加する。このパルスを印加すること
でｐ領域４はｎ十領域５に対して順方向にバイアスされ
、蓄積された正孔が除去される。そして、リフレッシュ
パルスが立下がった時点でｐ領域４は負電位の初期状態
に復帰する（リフレッシュ動作）、以後、同様に蓄積、
読出し、リフレッシュという各動作が作り返される。

次に、このような光′心変換セルを用いた本発明の詳細
な説明する。

第３図は、本発明による光電変換装置の第１実施例の回
路図である。

同図において、光電変換セルＳ１〜Ｓｎのキャパシタ電
極には駆動パルスφｒが印加され、コレクタ電極には一
定の正電圧が印加されている。また、エミッタ電極は垂
直ラインＶＬ１〜ＶＬｎに各々接続され、各垂直ライン
はトランジスタＱｔ１〜Ｑｔｎを介して容量Ｃｔの蓄積
コンデンサｃ１〜Ｃｎの一方の端子に各々接続されてい
る。コンデンサ０１〜Ｃｎの他方の端子には、後述する
ようにバイアス電圧Ｖｃｔが適時印加される。

各コンデンサの一方の端子はトランジスタＱＳ１〜Ｑｓ
ｎを介して出力ライン１０１に共通に接続されている。

出力ライン１０１は容量ｃｈを有し、蓄積コンデンサＣ
１〜Ｃｎの容量Ｃｔと等しい。

出力ライン１０１には出力アンプ１０２の入力端子が接
続され、またリセット電圧Ｖｒｈを適時印加するための
トランジスタＱ　ｒ　ｈが接続されている。リセ−／　
ト電圧Ｖｒｈは出力アンプ１０２の直線性が良好な範囲
で電圧値が選択され、本実施例では１．５〜３．５Ｖで
ある。また、上述したように出力アンプ１０２は単一電
源で駆動される。

トランジスタＱＳＩ〜Ｑ　ｓ　ｎのゲート電極には、走
査回路１０３からパルスφｈ１〜φｈｎが順次印加され
、トランジスタＱｔｚ”Ｑｔｎのゲート電極にはパルス
φｔが共通に印加される。

また、各垂直ラインはトランジスタＱｒ１〜Ｑ　ｒ　ｎ
を介して電圧Ｖｖｃが印加され、各トランジスタのゲー
ト電極にはパルスφＶＣが印加される。

第４図は、本実施例の動作を説明するためのタイミング
チャートである。

まず、パルスφＶＣおよびφｔによってトランジスタＱ
　Ｔ　１〜Ｑ　ｒ　ｎおよびトランジスタＱｔｔ〜Ｑ　
ｔ　ｎをＯＮとして、コンデンサＣ１〜Ｃｎをクリアし
く期間Ｔ１）、ｔａいて駆動パルスφｒによって各光電
変換セルの読出し信号をトランジスタＱｔ１〜Ｑｔｎを
通してコンデンサ０１〜Ｃｎに蓄積する（期間Ｔ２）、
この時のバイアス電圧Ｖｃｔは接地電位である。

次に、バイアス電圧Ｖｃｔを＋２■に設定した後、パル
スφｈ１〜φｈｎのタイミングで出力動作が行われる。

すなわち、パルスφｈ１によってトランジスタＱＳＩが
ＯＮとなり、すでに述べたように、コンデンサＣ１に蓄
積されている光電変換セルＳ１の読出し信号が出力ライ
ン１０１に読出される。続いて、パルスφｒｈによって
トランジスタＱ　ｒ　ｈがＯＮとなり出力ライン１０１
が電圧＋２Ｖにリセットされる。以下同様にして、コン
デンサ０２〜Ｃｎに蓄積された読出し信号が順次出力ラ
イン１０１に読出され、出力アンプ１０２を通して外部
へ出力される（期間Ｔ３）。

出力動作が終了すると、パルスφＶＣおよび駆動パルス
φｒによってリフレッシュ動作を行う（期間Ｔ４）。

第５図は、上記実施例を使用した撮像袋はの一例の概略
的構成図である。

同図において、撮像素子５０１は上記実施例の構成を有
し、その出力信号Ｖ　ｏ　、ｕ　ｔは信号処理回路５０
２によってゲイン調整等の処理が行われ、ＮＴＳＣ信号
等の標準テレビジョン信号として出力される。

また、撮像素子５０１を駆動するための各種パルスφお
よびバイアス電圧Ｖｃｔはドライバ５０３によって供給
され、ドライバ５０３は制御部５０４の制御によって動
作する。すなわち、ここではドライバ５０３がバイアス
電圧■ｃｔを適時印加するスイッチ手段を兼ねている。

また、制御部５０４は撮像素子５０１の出力に基いて信
号処理回路５０２のゲイン等を調整するとともに、露出
制御手段５０５を制御して撮像素子３０１に入射する光
量を調整する。

なお、蓄積コンデンサ０１〜Ｃｎに印加されるバイアス
電圧Ｖａｔはドライバ５０３から供給されているが、第
６図に示すように撮像素子５０１に内部電源６０１を設
けてもよい、この場合は、制御部５０４からの制御パル
スφｃｔによって内部電源６０１を動作させ、バイアス
゛−［圧Ｖｃｔを発生させる。

［発明の効果］以上詳細に説明したように、本発明による光電変換装置
は、読出し時に一時蓄積容量の基準電位を変化させると
いう簡単な方法で、撮像素子駆動電圧の単一電源化が可
能となり、撮像装置の小型化および低消費電力化を更に
一歩前進させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は、本発明の基本動作の一例を説明するた
めの回路図、第１図ＣＢ）は、その電圧波形図、第２図（Ａ）は、特開昭８０−１２７５９号公報〜特開
昭８０−１２７６５号公報に記載されている光電変換セ
ルの概略的断面図、第２図（Ｂ）は、その等価回路図、
第３図は、本発明による光電変換装置の第１実施例の回
路図、第４図は１本実施例の動作を説明するためのタイミング
チャート、第５図は、上記実施例を使用した撮像装置の一例の概略
的構成図、第６図は、本発明の他の実施例の部分的回路図、第７図（Ａ）は、従来の光電変換装置の概略的構成図、
第７図（Ｂ）は、その信号転送動作を説明するための等
価回路図、第７図（Ｃ）は、その転送の前後における信
号波形図である。ｌｏｔ・・・出力ライン１０２・・・出力バッファアンプ１０３・・・走査回路６０１・・・内部電源Ｃ１〜Ｃｎ１１１１・蓄積コンデンサＳ１〜Ｓｎ・・・光電変換セルＱｒｈｅ番・トランジスタ代理人　　弁理士　山　下　穣　子弟１図（Ｂ）ｃｔ　＝　ｃｈ第２図（Ａ） ′　−７、・シ′ 第２図（８）第４図Ｖｒｈ　”Ｖ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光電変換素子の読出し信号を蓄積手段に一時蓄積
した後、アンプを通して出力する光電変換装置において
、前記蓄積手段にバイアス電圧を適時印加するスイッチ手段を設けたことを特徴とする光電変換装
置。
（２）上記アンプの入力端子のリセット電位を上記蓄積
手段のバイアス電位とほぼ同電位に設定したことを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の光電変換装置。